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电动汽车和固定储能用锂离子电池的循环经济(一):驱动因素、障碍、促成因素和政策考虑

作者:刘伯洵编译 来源:中国储能网 发布时间:2021-07-19 浏览:次
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中国储能网讯:美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)的行业专家联合于2021年2月发布了一份调查报告,并于2021年3月修订。这份报告分析了美国电动汽车和电池储能系统中使用的锂离子电池循环经济的驱动因素、障碍和推动因素,还分析了美国适用于锂离子电池再利用、回收和处置的联邦、州和地方法律要求,以及与违规相关的法律责任。最后,这份报告概述了美国明确解决大型锂离子电池的再利用/回收和处置的政策和举措。

这份调查报告表明,大型锂离子电池储能系统是美国和全球范围内零碳能源转型的重要组成部分。而专注于减少碳排放和提高电网弹性的国家政策和国际政策将继续推动对电动汽车和储能系统采用的锂离子电池的需求。仅在美国,部署的电池储能系统(用于支持可再生能源发电设施)的装机容量预计将从2013年的523MW增长到2025年的7.3GW,预计到2035年美国将拥有4600万辆电动汽车(EV)。

由于电动汽车和固定式储能系统市场的快速增长和对电池的持续需求,导致了人们对于全球环境和电池供应链的担忧。锂离子电池中使用的关键材料(例如钴、锂、镍、石墨、锰)储量是有限的,并且仅在全球少数国家和地区开采。此外,这些电池原材料通常在环境和人类健康法规不太严格的国家和地区开采。到2050年,石墨、锂和钴的需求预计将增加近500%,如果锂离子电池的市场需求趋势持续下去,专家预计镍将在5~6年内出现供应短缺情况。

此外,随着电池储能系统装机容量的增加,废旧锂离子电池的数量也会增加。根据锂离子电池具有10年工作寿命的假设,到2040年,美国仅用于电动汽车应用的锂离子电池数量可能达到每年200万块。而由于发生早期故障(例如汽车碰撞和电池更换)以及电池储能系统部署量超出早期预期而导致的退役,退役或报废的锂离子电池数将会增加得更多。

随着美国第一代电动汽车电池逐渐报废,全球对锂电池关键材料的需求增加,美国行业利益相关者、监管机构和政策制定者开始考虑推动和实现环境可持续锂离子电池管理决策的解决方案和行为,并确定锂离子电池循环经济的障碍。锂离子电池的循环经济原则试图从“获取-制造-消费-处置”的线性经济系统转变为允许产品和材料的长寿命、高性能以及再利用/回收的循环系统。

这份调查报告还有以下一些发现:

锂电池循环经济的驱动因素

新的市场机会、创造就业机会、供应链稳定性,以及减少对环境的负面影响是推动美国联邦、州和地方对锂离子电池的再利用和回收进行投资的驱动因素。锂离子电池的回收市场将包括电动汽车和电池储能系统应用以及需要较少充放电循环的应用(例如无人机和叉车)。美国现有的有关电池业务(例如汽车拆解商、制造商、维修店、机械师、第三方回收公司和生命周期管理公司)可以扩展到包括锂离子电池维修、回收、处理和运输服务。

还可能会出现新的公司来提供再利用和回收的产品和服务,其中包括(1)电池的收集、运输、拆卸;(2)用于识别电池化学成分的诊断和筛选测试;(3)维修、翻新、重新组装、安装、回收、逆向物流和转售。此外,从锂离子电池中回收关键材料(例如锂、钴、镍、锰和石墨)可以减少美国对国外市场和进口的依赖,并促进国内生产和制造行业的发展。锂离子电池的二次使用可以减少可重复使用产品的处置,而基于回收的锂离子电池资源可以从垃圾填埋场转向采用具有价值的材料。此外,通过二次利用延长锂离子电池的使用寿命,可以减少能源输出以及生产新的锂离子电池所需的原始材料的获取、运输和精炼成本,从而降低其在生命周期中的环境影响。

成本节约、利润增加、竞争力增强是增加对电池产品和工艺创新以及锂离子电池再利用和回收的私有投资的驱动力。电池制造商和储能系统所有者可以出售使用过的锂离子电池以产生收入或捐赠锂离子电池用于慈善用途并获得税收抵免。电池制造商可以通过重复使用从客户保修退货、电池废料和其他退役锂电池中回收的材料来降低制造成本。电池储能系统所有者和第三方回收商也可以通过将回收材料出售到商品市场来产生收入。此外,从事再利用和回收等环境可持续商业实践的企业可能会反过来提高消费者对电池回收市场的信心及其在市场上的整体竞争力。

锂离子电池循环经济面临的障碍

美国的锂离子电池的再利用和回收市场刚刚起步,并且支持锂离子电池再利用和回收的服务和基础设施十分有限。此外,目前可用于锂离子电池再利用和回收利用的基础设施、流程和技术并没有针对有效且经济高效的材料修复或回收进行优化。因此,与更便宜、更容易获得的电池处置方案相比,美国的再利用和回收方案不太容易实施并且成本更高。

此外,美国私人投资新的和扩展的锂离子电池的循环经济市场机会的动机或激励也很有限。对于再利用和回收的锂离子电池的价值和市场,可供投资决策参考的公开信息和数据有限。美国州和地方电网互连、消防、建筑和电气法规对锂离子电池的适用性通常不明确,因此难以确定可行的二次使用。还有,证明再利用和翻新锂离子电池的质量、性能、安全性和技术可行性的公开信息和项目也很有限,这也可能影响消费者对锂离子电池在电动汽车和电池储能系统中再利用的信任和信心。此外,美国联邦和各州固体废物以及联邦运输法规则并没有为锂离子电池回收提供激励,尤其是当处置的经济性和可及性更有利的时候。

锂离子电池循环经济的推动者

美国需要制定激励政策来推出锂离子电池的循环经济发展。美国政府资助的研究与开发(R&D)和分析可以通过提供有助于缓解市场不确定性的问题的答案,从而使私人投资能够在新的和扩大的锂离子电池市场机会的早期阶段为锂离子电池的再利用和回收。例如,车辆诊断和退化数据,以及在现场监测电池的改进方法可以帮助预期寿命预测,可用于为供应预测提供信息并帮助确定可行的二次使用的应用。这些政策还可以强制或激励锂离子电池的再利用和回收,这对于锂离子电池的可持续材料管理实践是必需的,直到市场成熟并且再利用和回收的经济性比处置更具竞争力。例如,政府补贴、资助和奖励可用于降低财务风险,并使私营企业的早期投资更加可行。制定的政策还可以强制重复使用或回收或禁止处置,还可以通过减少与处置相比的监管负担和法律责任来激励重复使用和回收。(注:本报告中广泛使用“政策”,不仅包括美国联邦、各州和地方法规要求,还包括政府举措和目标)。

美国联邦、州和地方法律要求

在这一报告中,还分析了适用于锂离子电池再利用、回收和处置的联邦、州和地方法律要求,以及与违规相关的法律责任。对美国州和地方互连、消防、建筑和电气法规的分析表明,这些法规通常很复杂,而且由于司法管辖区不同而有所不同,通常并没有明确针对电池储能系统。事实表明,这些法规如何应用于电池储能系统的可变性和模糊性造成了不确定性,可能会影响锂离子电池在并网和离网应用中的重用。这份报告还根据1976年发布的资源保护和回收法案(RCRA)分析了美国联邦固体废物要求,这些要求可能适用于在回收或处置之前积累或储存的大型锂离子电池以及正在回收或处置的锂离子电池。报告中发现,大型锂离子电池通常被视为美国资源保护和回收法案(RCRA)危险固体废物或通用危险废物,需要遵守严格的生成、处理、储存、处理、回收和处置要求,这些要求会对不合规行为进行民事和刑事处罚。此外,用于资源回收的锂离子电池通常以与处置锂离子电池相同的方式进行监管,这不会为回收锂离子电池提供监管激励。此外,证据表明,对于锂离子电池某些再利用和回收过程(例如,阴极再锂化)是否会触发资源保护和回收法案(RCRA)的监管,还存在混淆和管辖权差异。

锂离子电池材料管理政策

这份报告概述了美国明确解决大型锂离子电池的再利用/回收和处置的政策和举措。并发现没有美国联邦政策解决电动汽车和电池储能系统采用的锂离子电池的重用或报废管理选项。报告发现,北卡罗来纳州和加利福尼亚州是美国发布了一些积极政策的州,其政策直接解决了电池储能系统中使用的锂离子电池的重用或报废管理问题。例如,北卡罗来纳州的法律要求州机构研究并推荐有关储能系统电池的再利用、回收和处置的政策。同样,加利福尼亚州的法律要求加利福尼亚州环境保护局进行研究,并提出政策建议,以实现100%再利用和回收电动汽车锂电池的目标。夏威夷州也提出了一项法案,如果该法案获得通过,将需要进行全面的研究,以确定处理和回收清洁能源材料(包括电池)的最佳实践。除了发布法规之外,加利福尼亚州还制定了一项由州主导的计划,以研究电动汽车和电池储能系统的锂离子电池退役和报废管理选项。这些最近的政策可能预示着一种日益增长的趋势,即优先考虑用于电动汽车和固定电池储能应用的锂离子电池提前退役和报废电池的可持续材料管理实践。

这份报告的结果还基于法律和文献研究。此外,包含了美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)的行业专家与各种电动汽车和固定电池储能系统专家(包括学术和研究组织、行业协会、锂离子电池制造商、锂离子电池再利用/维修/回收公司、顾问以及美国联邦和州监管机构以及政策制定者通过电话会议和电子邮件进行的交流。每次提出的问题都是专门针对行业利益相关者的专业领域量身定制的。虽然这份报告针对的是固定式储能系统和电动汽车采用的锂离子电池,但关于锂离子电池再利用和报废材料管理的大部分信息和经验都源自美国对废旧电动汽车锂离子电池的加强管理。此外,本报告仅限于美国锂离子电池储能系统的监管、政策和市场分析。

该报告旨在为决策者提供信息,包括参与政策设计的决策者;该报告并不认可任何特定的政策机制,也没有评估所有监管要求和政策可能对美国电池储能系统市场或相关市场产生的影响。

作者:Taylor L. Curtis, Ligia Smith, Heather Buchanan, and Garvin Heath

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关键字:锂电池,储能

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